生物物理学-2015年第04讲+单分子生物物理学技术ppt课件

1、1223294Single molecule3lessfasterImpetus to single molecule 4Why we conduct single molecule or what single molecule can tell us?什么是？为什么？怎么样？5在单分子水平上对生物分子行为包括构在单分子水平上对生物分子行为包括构象变化、相互作用、相互识别等的实时象变化、相互作用、相互识别等的实时动态检测以及在此基础上的操纵调控动态检测以及在此基础上的操纵调控等，是分子生物物理学的延伸和趋势。等，是分子生物物理学的延伸和趋势。6生命单元的基本功能主要取决于单个大分生命单元的基

2、本功能主要取决于单个大分子。与测量分子集合体整体性质的传统方子。与测量分子集合体整体性质的传统方法相比，单分子技术具有直接，准确，实法相比，单分子技术具有直接，准确，实时等优点。时等优点。 整体整体个体个体7sensitivity8主要的研究手段有两种：主要的研究手段有两种：单分子光谱学单分子光谱学Single-molecule spectroscopy 和和Single-molecule FRET） 2. 单分子力谱单分子力谱AFM和光镊）和光镊） 9Techniques to study the single moleculeTotal Internal Reflection Fluore

3、scence Microscopy (TIRFM) 全内反射荧光显微镜Near field Scanning Optical Microscopy (NSOM or SNOM) 近场光学显微镜10工作原理: 采用激光为光源，在传统荧光显微镜成像的基础上，附加了激光扫描和共轭聚焦装置，通过计算机控制来进行图像采集和处理的系统。 11激光共聚焦工作原理1213 1. 动态扫描和三维图像重组; 2. 高质量数字图像; 4.点对点扫描去除了杂散光的影响14Scanning Tunneling MicroscopeSTM 扫描隧道显微镜Atom Force Microscope ( AFM ) 原子力显

4、微镜Optical tweezer/ optical trapOP or OT 光学镊子15Atom Force Microscope ( AFM ) 原子力显微镜工作原理:利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受測样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的 1617AFM image: 蓝细菌图像 18大肠杆菌 E. coli19Scanning Electron Microscope ( SEM ) 扫描电子显微镜工作原理: 扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子扫描并轰击物质表面时, 物质表面将产生二次电子、特征x射线和透射电子以及电磁辐射。利用电子和物质的相互

5、作用, 可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构等等。 201. 真空系统; 2. 电子束系统; 3. 成像系统; 2122232425Optical Tweezer (光学镊子)原理: 利用激光与物质间进行动量传递时的力学效应形成三维光学势阱。 26Optical Tweezer (光学镊子)27Single-Molecule BiophysicsScientists 28The Nobel Prize in Physics 2019发明了用激光冷却和俘获原子的方发明了用激光冷却和俘获原子的方法法 Steven ChuUSA Claude Cohen-Tanno

6、udjiFrance William D. Phillips USA29在获得诺贝尔奖的第二天，在获得诺贝尔奖的第二天，他骑着自行车，朝着目标往他骑着自行车，朝着目标往山路上攀爬，达到了目的地。山路上攀爬，达到了目的地。这种攀登高峰的踏实感受这种攀登高峰的踏实感受:也只有在努力过之后，才能也只有在努力过之后，才能真切地感受到真切地感受到 朱棣文朱棣文(江苏太仓江苏太仓)30朱棣文视自己为一名科学家，最大的希望是无论在未来十年、二十年，甚至上百年以后，自己在实验室中的成果，能够对人类产生贡献，与人类的生活真正的结合在一起。 31庄晓薇庄晓薇利用单分子技术利用单分子技术研究病毒入侵宿研究病毒入侵宿

7、主细胞的过程主细胞的过程 在哈佛大学工作以来，她一周七天，每天都从早上10时工作到半夜12时。她说：“除了吃饭和睡觉，剩下的时间都在工作。 32Imaging virus-cell interactions in live cells病毒入侵宿主细胞的过程病毒入侵宿主细胞的过程33Stochastic Optical Reconstruction Microscopy STORM (随机光学重建显微技术 )激发荧光Wavelength: 几百nm生物单分子尺寸，例如细胞，只要3nm传统荧光光学显微34STORM (随机光学重建显微技术 )Trick (窍门): 先用一束激光把连接有荧光物质的生

8、物样品荧光物质点亮 然后开启另一束激光，这束激光比如说把其能级调整到某个 不发光态。反复开和关第二束激光，连接有荧光物质的样品 被不断地点亮和熄灭。 也就是说此刻亮的点，下一 刻可能就是暗的。 如此这般，就可以对每个点进行精确定位。 通过对所得的点进行整合，就得到一个全新的图像。 35传统荧光显微 STORM荧光显微36Seeing is believing（眼见为实)37Virus-Cell Interactions (流感病毒入侵流感病毒入侵) 38Virus-Cell Interactions (流感病毒入侵流感病毒入侵) 39做 “名女人”40STORM技术Nature: 2019 M

9、ethod of the Year41Molecule motor(分子马达分子马达)42分子马达，是对一大类广泛分子马达，是对一大类广泛存在于细胞内部的能够把化存在于细胞内部的能够把化学能学能ATP直接转换为机直接转换为机械能的蛋白分子的总称械能的蛋白分子的总称 43分子马达的种类及其生物学模型分子马达的种类及其生物学模型 驱动蛋白驱动蛋白kinesin）线性马达线性马达 动力蛋白动力蛋白dynein） 肌球蛋白肌球蛋白myosin） F1-ATP合酶合酶旋转马达旋转马达 细菌的鞭毛马达细菌的鞭毛马达 DNA或或RNA马达马达44马达结构示意图马达结构示意图 45 线性推进式分子马达是把化学

10、能直接转化为机械能，线性推进式分子马达是把化学能直接转化为机械能，从而使得马达分子自身能够沿着一条线性轨道作定向移从而使得马达分子自身能够沿着一条线性轨道作定向移动。动。 461 1、驱动蛋白、驱动蛋白kinesinkinesin） Kinesin Kinesin发现于发现于19851985年，主年，主要存在于真核细胞内，以微管蛋白要存在于真核细胞内，以微管蛋白为轨道，沿微管为轨道，沿微管(microtubule)(microtubule)的负的负极向正极运动。极向正极运动。驱动蛋白驱动蛋白KinesinNote: 正极,“生长速度快47通过两个头部分别结合和水解通过两个头部分别结合和水解AT

11、PATP，导致颈部，导致颈部发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，发生构象改变，使两个头部交替与微管结合，从而沿微管从而沿微管“行走行走”，将尾部结合的，将尾部结合的“货物货物”（运输泡或细胞器转运到其它地方。（运输泡或细胞器转运到其它地方。“行走行走”(walking) ”(walking) 机制机制48驱动蛋白的行走驱动蛋白的行走49Kinesin的作用的作用将细胞器和各种细胞内物质沿着微管将细胞器和各种细胞内物质沿着微管从细胞核移向细胞膜，完成各种细胞从细胞核移向细胞膜，完成各种细胞内外传质功能内外传质功能. . 参与细胞的有丝分裂，在有丝分裂的参与细胞的有丝分裂，在有丝分裂的过程中，

12、驱动蛋白使中心粒分开，导过程中，驱动蛋白使中心粒分开，导致纺锤体极性的形成。致纺锤体极性的形成。50 Dynein Dynein发现于发现于19631963年，因与鞭毛年，因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。它主要存和纤毛的运动有关而得名。它主要存在于真核细胞内以及鞭毛和纤毛中。在于真核细胞内以及鞭毛和纤毛中。动力蛋白动力蛋白Dynein）2、动力蛋白、动力蛋白dynein）51动力蛋白动力蛋白(Dynein)的作用的作用u 沿微管负向运动运送物质沿微管负向运动运送物质, 将细胞膜的将细胞膜的物质移向细胞核；物质移向细胞核；u 驱动蛋白驱动蛋白(Kinesin)将细胞核的物质移向将细胞核的物质移向

13、细胞膜细胞膜;u 驱动蛋白和动力蛋白并不发生竞争，虽驱动蛋白和动力蛋白并不发生竞争，虽然它们想要将货物向相反的方向运送。然它们想要将货物向相反的方向运送。u 2019, Apr 7523. 3. 肌球蛋白肌球蛋白(myosin)(myosin)家族家族肌球蛋白肌球蛋白(myosin)，对它的研究可以追溯到，对它的研究可以追溯到1864年，它是人们最早年，它是人们最早研究的分子马达之一，主要存在于肌肉纤维和真核细胞内，它属于马达研究的分子马达之一，主要存在于肌肉纤维和真核细胞内，它属于马达蛋白，可利用蛋白，可利用ATP产生机械能。产生机械能。53当每个ATP 被它水解之后它可以拉动肌动蛋白丝行走一步，大量的肌动球蛋白的协同作用最终导致了肌肉的收缩现象。54沿微管运动的Myosin55u 最典型的旋转式分子马达是最典型的旋转式分子马达是F1-ATP酶。酶。u 它由两部分组成，一部分镶嵌在线粒体膜上，它由两部分组成，一部分镶嵌在线粒体膜上，另一部分暴露在膜外。另一部分暴露在膜外。u 镶嵌在膜上的部分有三个亚基构成质子通过线镶嵌在膜上的部分有三个亚基构成质子通过线粒体膜的通道，当质子流经这样的通道时产生粒体膜的通道，当质子流经这样的通道时产生力矩，从而推动暴露在膜外的亚基的旋转